第十四章激光和固體的量子理論

第14章激光和固體的量子理論當(dāng)前第1頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)§14-1激光激光

Laser——LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。（受激發(fā)而輻射的光放大）當(dāng)前第2頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)1.受激吸收如圖所示，處于低能態(tài)E1的一個(gè)原子，在一頻率恰好等于的外界光照射時(shí)，吸收一個(gè)能量為h=(E2–E1)

的光子，并向高能態(tài)E2躍遷，這個(gè)過程稱為受激吸收。一、受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射當(dāng)前第3頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)沒有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個(gè)光子，這種過程叫自發(fā)輻射。各個(gè)原子自發(fā)輻射的光是非相干光2自發(fā)輻射當(dāng)前第4頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)受激輻射(stimulatedradiation)=(En–Em)/h

受激輻射光是與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同的相干光，有光放大作用。受激輻射的光放大為激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。原子中處于高能級(jí)的電子,會(huì)在外來光子(其頻率恰好滿足)的誘發(fā)下向低能級(jí)躍遷,并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子,這叫受激輻射.當(dāng)前第5頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)二、產(chǎn)生激光的基本條件受激吸收使光子數(shù)減少，受激輻射使光子數(shù)增加。哪種躍遷占優(yōu)勢(shì)取決于高低能級(jí)的原子數(shù)。由大量原子組成的系統(tǒng)，在溫度不太低的平衡態(tài)，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布：若E2>E1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比當(dāng)前第6頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)在通常情況下，物質(zhì)中的原子在低能級(jí)上的數(shù)目較多，光通過物質(zhì)時(shí)，受激吸收占優(yōu)勢(shì)。E1E2宏觀上表現(xiàn)為對(duì)光的吸收，達(dá)不到對(duì)光的放大目的。當(dāng)前第7頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)的原子數(shù)多于低能級(jí)的原子數(shù)，這種分布與正常分布相反，稱為粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布。激活介質(zhì)的工作模式（三能級(jí)系統(tǒng)）為了促使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的出現(xiàn)，從外界輸入能量（如光照,放電等）,把低能級(jí)上的原子激發(fā)到高能級(jí)上去,這個(gè)過程叫做激勵(lì)（也叫泵浦）.當(dāng)前第8頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第9頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)亞穩(wěn)態(tài)：一般原子激發(fā)態(tài)的壽命為10-8

s，但也有些激發(fā)態(tài)的壽命長(zhǎng)達(dá)10-3

s甚至長(zhǎng)達(dá)1s，這種長(zhǎng)壽命的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)，它正是激光器的工作物質(zhì)。受激輻射占主導(dǎo)地位，宏觀上表現(xiàn)為輻射，可實(shí)現(xiàn)光的放大。當(dāng)前第10頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)無諧振腔時(shí)受激輻射的方向是隨機(jī)的①受激輻射可以沿任意方向，且其傳播一定距離后就會(huì)離開激活介質(zhì)，難以形成高強(qiáng)度的光束。②激發(fā)的光可以有很多頻率，對(duì)應(yīng)很多模式，每一模式的光都會(huì)攜帶能量，所以難以形成單色亮度很強(qiáng)的激光束。僅使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，雖然可以獲得光放大，但是還不能獲得穩(wěn)定的激光輸出，這是因?yàn)椋杭す猱a(chǎn)生的必要條件減少振蕩模式數(shù)當(dāng)前第11頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)諧振腔對(duì)光束方向的選擇開放式諧振腔的作用：1.使軸向的光多次反射通過激活介質(zhì)而不斷被放大。2.因?qū)Ψ禽S向的光沒有反射從而使其較快地離開激活介質(zhì)以免其進(jìn)一步激發(fā)受激輻射，耗去激發(fā)態(tài)粒子。以上兩因素最終使得激發(fā)光束主要沿軸向。當(dāng)前第12頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)3.沿軸向傳輸?shù)墓鈱⒁蚨喙馐缮媸沟脴O少數(shù)滿足干涉相長(zhǎng)條件的頻率（波長(zhǎng)）的光波獲得增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)選頻功能，最終在軸向上獲得光強(qiáng)最強(qiáng)、模式數(shù)目最少的激光振蕩。當(dāng)前第13頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)增益飽和效應(yīng)N2(x)-N1(x)不隨距離x變化,可能嗎？No!應(yīng)減?。±碛桑汗鈴?qiáng)的增加正是由于高能級(jí)原子向低能級(jí)受激躍遷的結(jié)果。即光放大是以單位體積內(nèi)集居數(shù)反轉(zhuǎn)N2(x)-N1(x)的減小為代價(jià)的。所以，增益系數(shù)必然隨x而減小。光強(qiáng)越大，減小越快！吸收與增益當(dāng)前第14頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)閾值條件在諧振腔內(nèi)，除了有光的增益，還存在工作物質(zhì)對(duì)光的吸收、散射以及反射鏡的吸收和透射等造成的各種損耗。增益大于損耗的條件稱為閾值條件。諧振腔的設(shè)計(jì)滿足閾值條件，才能形成激光輸出。閾值條件：G為諧振腔的增益系數(shù),光通過單位長(zhǎng)度的激活物質(zhì)后增加的光強(qiáng)與原光強(qiáng)的比值(或百分比)。r1,r2為兩反射鏡的反射率當(dāng)前第15頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)三、激光器激光器主要由三部分組成：工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵(lì)能源當(dāng)前第16頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)按輸出方式分：脈沖輸出激光器連續(xù)輸出激光器半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分：氣體激光器（如He-Ne，CO2）固體激光器（如紅寶石Al2O3）液體激光器激光器的分類當(dāng)前第17頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)固體激光器-紅寶石激光器紅寶石激光器紅寶石晶體的基質(zhì)是Al2O3，晶體內(nèi)摻有約0.035%的鉻離子（Cr3+）1960年，梅曼，第一臺(tái)激光器當(dāng)前第18頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)鉻離子在紅寶石中的能級(jí)當(dāng)前第19頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)工作物質(zhì)：紅寶石晶體（Cr2O3-Al2O3）發(fā)光的激活粒子：Cr3+（三能級(jí)系統(tǒng)）激光波長(zhǎng)：694.3nm光譜線寬：0.01~0.1nm偏振特性：既可輸出無偏振光，也可輸出線偏振光（紅寶石為單軸晶體，存在雙折射現(xiàn)象）當(dāng)前第20頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)種類：原子氣體激光器產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，典型代表是氦氖激光器。分子激光器產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和準(zhǔn)分子激光器。離子激光器典型代表是氬離子激光器和氦鎘離子激光器。二、氣體激光器當(dāng)前第21頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)特點(diǎn)：發(fā)射的譜線分布在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，幾乎遍布了從紫外到遠(yuǎn)紅外的整個(gè)光譜區(qū)(已經(jīng)觀測(cè)到的譜線有萬余條)；工作物質(zhì)均勻性較好，使得輸出光束的質(zhì)量較高；容易實(shí)現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，如二氧化碳激光器可達(dá)萬瓦級(jí)的功率輸出；轉(zhuǎn)換效率高、工作物質(zhì)豐富、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件成本低。當(dāng)前第22頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)2.氦氖激光器內(nèi)腔式外腔式當(dāng)前第23頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第24頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)3、二氧化碳激光器工作物質(zhì)：CO2、N2和He的混合物激光波長(zhǎng)：10.6微米、9.6微米（遠(yuǎn)紅外光）（利用基態(tài)的不同振動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷，故光子能量小）特點(diǎn)：激光器效率高、輸出能量大、功率高。當(dāng)前第25頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)結(jié)構(gòu)構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。當(dāng)前第26頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)CO2激光器工作原理CO2分子的振動(dòng)與吸收當(dāng)前第27頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)激發(fā)機(jī)理當(dāng)前第28頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第29頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)液體激光器當(dāng)前第30頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)：半導(dǎo)體激光器（激光二極管）當(dāng)前第31頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第32頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)2激光的特性及其應(yīng)用（1）方向性好激光測(cè)距激光束的發(fā)散角很小，一般為可用于激光定位、導(dǎo)向、測(cè)距等。比普通探照燈窄100多萬倍。sr：球面度（steradian）的簡(jiǎn)稱，是立體角的國(guó)際單位

當(dāng)前第33頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)（2）單色性好計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。激光的特性及其應(yīng)用光纜激光通訊普通光源中單色性最好的氪燈（K186），譜線寬度為4.7×10-3nm，而激光的譜線寬度為10-9nm?？捎糜谟?jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源。當(dāng)前第34頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)激光的輸出功率雖然有個(gè)限度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別?。β拭芏忍貏e大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍。通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)一步提高亮度。3.高亮度和高強(qiáng)度亮度是指光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。單位：W/(m2.str)太陽(yáng)表面的亮度~103W/(cm2.str)目前大功率激光器的輸出亮度~1010-17

W/(cm2.str)可用于激光加工、激光手術(shù)、激光武器等。當(dāng)前第35頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。

激光打孔激光打孔論文1激光打孔論文2當(dāng)前第36頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第37頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第38頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)高能激光武器激光的特性及其應(yīng)用當(dāng)前第39頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)低能激光武器當(dāng)前第40頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)(4)相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干長(zhǎng)度約為1毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。全息照相當(dāng)前第41頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)科研當(dāng)前第42頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第43頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)五、激光冷卻運(yùn)動(dòng)著的原子在共振吸收迎面射來的光子后，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動(dòng)量就減小，速度也就減小了。LaserE1E2處于激發(fā)態(tài)的原子會(huì)自發(fā)輻射出光子而回到初態(tài)，由于反沖會(huì)得到動(dòng)量。但自發(fā)輻射出的光子的方向是隨機(jī)的，多次自發(fā)輻射平均下來并不增加原子的動(dòng)量。經(jīng)過多次吸收和自發(fā)輻射之后，原子的速度就會(huì)明顯地減小，而溫度也就降低了。當(dāng)前第44頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)美國(guó)斯坦福大學(xué)的華裔科學(xué)家朱棣文教授用六束激光以不同的角度照射原子氣體，使原子處處受阻，集中到光束匯聚點(diǎn)的附近。被激光照射的原子陷于光子的海洋中，運(yùn)動(dòng)不斷受到阻礙而減速。LaserbeamMagneto-OpticalTrap三維激光冷卻當(dāng)前第45頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)目前，利用激光冷卻方法可以將中性原子冷卻到20nK。

1997NobelPrizewinnersChu朱棣文Cohen-TannoundjiPhillips當(dāng)前第46頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)§14-2固體的能帶結(jié)構(gòu)固體分為晶體和非晶體兩大類。本節(jié)的固體指的是晶體。晶體：具有大量分子、原子或離子有規(guī)則周期性排列的點(diǎn)陣（稱晶格）結(jié)構(gòu)。晶體的一些各向異性的物理性質(zhì)與其內(nèi)在的周期性結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)前第47頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)電子能級(jí)以硅為例，硅最外層只有4個(gè)電子，故還有4個(gè)空量子態(tài)。最高的能級(jí)則是空的?？樟孔討B(tài)或空能級(jí)的存在說明一旦低層電子得到能量就可能躍遷到這些空能級(jí)上去。

最里層的量子態(tài)、電子距原子核最近，受原子核束縛最強(qiáng)，能量最低．越外層的量于態(tài)，電子受原于核束縛越弱，能量越高．一固體的能帶固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級(jí)上。

電子的填充原則：

（１）服從泡利不相容原理（２）服從能量最小原理當(dāng)前第48頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)能級(jí)：量子態(tài)的能量只能取某些特定的值，而不能是隨意．能級(jí)圖用一系列高低不同的水平橫線來表示各個(gè)量子態(tài)所能取的確定能量E1、E2，E3、……，每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級(jí)．當(dāng)前第49頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)共有化：半導(dǎo)體是大量原子組成的晶體，因?yàn)樵又g距離很近，所以，某一個(gè)原子上的電子不僅受到這個(gè)原子的作用，還要受到相鄰原子的作用；相鄰原子上的電子軌道(量子態(tài))將發(fā)生一定程度的相互交迭．通過軌道的交迭，電于可以從一個(gè)原于轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，它將不再是固定在個(gè)別原子上的運(yùn)動(dòng)，而是穿行于整個(gè)晶體的運(yùn)動(dòng)．電于運(yùn)動(dòng)的這種質(zhì)變稱為“共有化”，電子成為整個(gè)晶體共有電子在原于之間的轉(zhuǎn)移不是任意的，電子只能在能量相同的量子態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)移．如圖，3S層的電子只能轉(zhuǎn)移到相鄰原子內(nèi)3S層…。當(dāng)前第50頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)電子共有化原子中電子的勢(shì)能大量原子構(gòu)成的晶體中電子的勢(shì)能為周期勢(shì)對(duì)于高能級(jí)的電子，其能量超過勢(shì)壘高度，電子可以在整個(gè)固體中自由運(yùn)動(dòng)。對(duì)于能量低于勢(shì)壘高度的電子，也有一定的貫穿概率。價(jià)電子不再為單個(gè)原子所有，而為整個(gè)晶體所共有的現(xiàn)象稱為電子共有化。當(dāng)前第51頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)能帶：當(dāng)N個(gè)原子組成晶體后，每個(gè)價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)都受到其他原子核的影響，它們的能級(jí)也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)泡利不相容原理．一塊晶體中的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不能相同。為了容納原來屬于N個(gè)單個(gè)原于的所有價(jià)電子，原來分屬于N個(gè)單個(gè)原子的相同的價(jià)電子能級(jí)就必須分裂成屬于整個(gè)晶體的N個(gè)能量稍有差別的能級(jí)，將這些互相靠的很近的能級(jí)所占據(jù)的能量區(qū)域稱為能帶二、能帶的形成當(dāng)前第52頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)晶體中的能帶單個(gè)原子中的能級(jí)晶體中若有N（很大）個(gè)原子，每一個(gè)能級(jí)分裂成N個(gè)靠得很近的能級(jí)，兩能級(jí)的間距約10-22eV—能帶。當(dāng)前第53頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)內(nèi)層電子的能帶較窄，外層電子的能帶較寬。能帶的寬度與晶格常數(shù)、能帶序數(shù)（s帶、p帶、d帶…）等因數(shù)有關(guān)。當(dāng)前第54頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)三、滿帶、導(dǎo)帶和禁帶按照泡里不相容原理每一能帶最多能容納的電子數(shù)為2N(2l+1)個(gè)。按照能量最小原理，電子從最低的能帶開始填充。深層能級(jí)對(duì)應(yīng)的能帶是被電子填滿的，對(duì)應(yīng)的能帶為滿帶；最外層價(jià)電子對(duì)應(yīng)的能帶為價(jià)帶；該帶可以是滿帶，也可以是被電子部分填充的；當(dāng)前第55頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)在相鄰的兩個(gè)能帶之間，可以有不存在電子穩(wěn)定能態(tài)的能量區(qū)域，稱為禁帶。價(jià)帶之上的能帶沒有分布電子，稱為空帶。未排滿電子的價(jià)帶和緊靠?jī)r(jià)帶的空帶又稱為導(dǎo)帶。當(dāng)前第56頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)絕緣體中價(jià)帶和導(dǎo)帶隔著一個(gè)寬的禁帶，電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶需外界供給能量，使電子激發(fā)，使電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷，因而通常導(dǎo)帶中導(dǎo)電電子濃度很小。四、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體絕緣體：價(jià)帶滿，且禁帶寬（Eg=3～6eV）按能帶論，不同的導(dǎo)電性能，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。當(dāng)前第57頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)晶體中并非所有電子，并非所有的價(jià)電子都參與導(dǎo)電。只有導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶頂部的空穴才能參與導(dǎo)電。導(dǎo)體：價(jià)帶不滿或滿帶與其它空帶有交疊。另一些導(dǎo)體中如Mg,Be,Zn等二價(jià)金屬，雖然有滿帶，但導(dǎo)帶和滿帶之間沒有禁區(qū)，電子進(jìn)入導(dǎo)帶不需要能量，因而導(dǎo)電電子的濃度很大。有些導(dǎo)體，如Na,K,Cu,Al，Ag等金屬，并沒有滿帶存在當(dāng)前第58頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)半導(dǎo)體價(jià)帶與導(dǎo)帶間，如果存在外界作用，則價(jià)帶中的電子獲得能量，可能躍遷到導(dǎo)帶中，這樣導(dǎo)帶中出現(xiàn)了導(dǎo)電電子。而在價(jià)帶中出現(xiàn)了這個(gè)電子留下的空位，叫空穴?？昭橂妶?chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，這種導(dǎo)電為空穴導(dǎo)電，屬于電子導(dǎo)電的一種。

半導(dǎo)體：價(jià)帶滿，但禁帶窄（Eg=0.1～1.5eV）當(dāng)前第59頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率溫度系數(shù)禁帶價(jià)帶負(fù)較小滿帶正非滿帶負(fù)較大滿帶當(dāng)前第60頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)§14-3半導(dǎo)體一、電子和空穴當(dāng)半導(dǎo)體中電子從滿帶躍遷到導(dǎo)帶后，滿帶中就出現(xiàn)了空位，稱為空穴。電子導(dǎo)電：導(dǎo)帶中的電子在外電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)?？昭▽?dǎo)電：滿帶中存在空穴的情況下，電子在滿帶內(nèi)的遷移，相當(dāng)于空穴沿相反方向運(yùn)動(dòng)，等效一個(gè)帶正電的粒子的運(yùn)動(dòng)。本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶上的電子和滿帶上的空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，兼有電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電——本征導(dǎo)電。空帶滿帶Eg當(dāng)前第61頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)在n型半導(dǎo)體中空帶滿帶施主能級(jí)EiEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴…少數(shù)載流子電子…多數(shù)載流子2.雜質(zhì)的影響(1)n型半導(dǎo)體:四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge等，摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處,極易形成電子導(dǎo)電。該能級(jí)稱為施主能級(jí)。

當(dāng)前第62頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)空帶E'i滿帶受主能級(jí)Eg在p型半導(dǎo)體中電子…少數(shù)載流子空穴…多數(shù)載流子SiSiSiSiSiSiSiB+(2)p型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素(如Ｂ、Ga、Ｉn等)形成空穴型半導(dǎo)體，稱p型半導(dǎo)體。這種摻雜后多余的空穴的能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱受主能級(jí)。當(dāng)前第63頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)三、電阻率和溫度的關(guān)系導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而增大。半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而急劇地下降。解釋：由于半導(dǎo)體中的電子吸收能量后，受激躍遷到導(dǎo)帶的數(shù)目增多。可以制成熱敏電阻。當(dāng)前第64頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)四、半導(dǎo)體的光電導(dǎo)現(xiàn)象在光照射下，半導(dǎo)體中的電子吸收光子的能量后，從滿帶或施主能級(jí)向?qū)кS遷，或從滿帶向受主能級(jí)躍遷，使載流子增多，從而增加了導(dǎo)電能力，這種現(xiàn)象稱為光生載流子，又稱為內(nèi)光電效應(yīng)。利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)現(xiàn)象可以制成光敏電阻。當(dāng)前第65頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第66頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第67頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)光敏電阻阻值對(duì)光照特別敏感，是一種典型的利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測(cè)器件。對(duì)于本征型，可用來檢測(cè)可見光和近紅外輻射對(duì)于非本征型可以檢測(cè)波長(zhǎng)很長(zhǎng)的輻射光敏電阻(LDR)和它的符號(hào)：

符號(hào)當(dāng)前第68頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第69頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)五、pn

結(jié)將p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體相互接觸，由于n區(qū)的電子向p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散，在交界處形成了pn結(jié)（pnjunction）。在交界面附近，p型區(qū)中的空穴被擴(kuò)散來的電子復(fù)合，產(chǎn)生負(fù)電荷的積累，n型區(qū)中的電子被擴(kuò)散來的空穴復(fù)合，產(chǎn)生正電荷的積累。結(jié)果在交界面處形成了電偶層。當(dāng)前第70頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)電偶層的電場(chǎng)阻礙電子和空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，最后形成一穩(wěn)定的電勢(shì)差U0。pn

結(jié)附近的能帶也發(fā)生了彎曲。當(dāng)前第71頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)在p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，n型區(qū)接電源正極（稱為反向偏壓）。這時(shí)電偶層電場(chǎng)被增強(qiáng)，不利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，電路被阻斷，但有少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)形成反向電流。二極管由p-n結(jié)構(gòu)成，所以二極管具有單向?qū)щ娦浴-n結(jié)的伏安特性當(dāng)前第72頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)在p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，n型區(qū)接電源負(fù)極（稱為正向偏壓）。這時(shí)電偶層電場(chǎng)被削弱，有利于空穴向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成正向電流。當(dāng)前第73頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)光生伏特效應(yīng)由光的照射使pn結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng).內(nèi)建電場(chǎng)當(dāng)前第74頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)太陽(yáng)方舟－全長(zhǎng)315m，最高位置（兩邊）高37.1米，中央高31.6m，底部寬13.7m，頂部寬4.3m，重量3000t。最大功率630kW，年發(fā)電量53萬kWh,預(yù)計(jì)每年可以減排95噸。當(dāng)前第75頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)BP贈(zèng)送廣東省政府的光伏禮品50kW光伏電站BPSolar在報(bào)紙上整板廣告(廣州日?qǐng)?bào)、深圳商報(bào)等)假如我們追不上太陽(yáng)，就將太陽(yáng)拴在馬背上石油在一天天減少，但太陽(yáng)每天都升起當(dāng)前第76頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)光伏建筑組件的結(jié)構(gòu)與發(fā)展瑞士生產(chǎn)的太陽(yáng)電池建筑材料-電池瓦和德國(guó)的透光型非晶硅電池窗當(dāng)前第77頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)德國(guó)，光伏幕墻10kW德國(guó)，光伏走廊10kW當(dāng)前第78頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)德國(guó)透光型光伏屋頂22.2kW當(dāng)前第79頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)德國(guó)，裝飾性光伏候車棚當(dāng)前第80頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)雙面太陽(yáng)電池適合圍欄、道路隔音墻等當(dāng)前第81頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)光伏屋頂－光伏發(fā)電在城市發(fā)展的首推形式當(dāng)前第82頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)§14-5團(tuán)簇和納米材料一、團(tuán)簇團(tuán)簇（cluster）是由幾個(gè)到幾百個(gè)原子、分子或離子所組成的相對(duì)穩(wěn)定的集體，空間尺度大約在0.1~10mm，是介于微觀和宏觀之間的一種形態(tài)（稱為介觀）。相對(duì)穩(wěn)定的團(tuán)簇中所包含的原子個(gè)數(shù)稱為幻數(shù)（magicnumber）。如Na：8，20，40，58，92，…C：20，24，28，32，36，50，60，70，…NaCl：5，9，14，16，18，23，…當(dāng)前第83頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)C60是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的空心大分子，外形酷似足球，稱為足球烯，又稱布基球（Buckball）或富勒體（Fullerene）。固態(tài)C60類似于Ga-As的半導(dǎo)體，在其中摻入堿金屬（K、Rb或Cs），它將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。當(dāng)前第84頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)C60的衍生物可做為“分子滾珠”和“分子潤(rùn)滑劑”在高技術(shù)發(fā)展中起重要作用；其他應(yīng)用：利用C60分子的抗輻射性能，將放射性元素置于碳籠內(nèi)注射到癌變部位能提高放射治療的效力并減少副作用；將鋰原子嵌人碳籠內(nèi)有望制成高效能鋰電池…當(dāng)前第85頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)二、納米材料一般把尺度在1~100nm之間的微?；蛴晌⒘＜庸こ蓧K狀或薄膜的固體材料稱為納米材料。納米材料包括納米金屬、金屬化合物、陶瓷以及非晶態(tài)材料等。納米微粒包含102~104個(gè)原子，表面原子與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大，使納米材料的具有很高的表面活性。

表面效應(yīng)如金屬納米微粒在空氣中會(huì)燃燒。當(dāng)前第86頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)納米粒子的尺寸與光波的波長(zhǎng)、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件被破壞。

小尺寸效應(yīng)如利用隨納米尺寸減小，光吸收顯著增加，產(chǎn)生吸收峰等離子共振頻移，由磁有序狀態(tài)向磁無序狀態(tài)，由超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變和聲子譜的改變等。聲、光、電、磁、熱力學(xué)特性等均會(huì)隨著粒子尺寸的減小發(fā)生顯著的變化。當(dāng)前第87頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)納米粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象。量子尺寸效應(yīng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，必然因量子效應(yīng)導(dǎo)致納米晶體材料的光、熱、磁、聲、電等與常規(guī)材料有顯著的不同。如特異的光催化性、高光學(xué)非線性及電學(xué)特征等。當(dāng)前第88頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)近年來的研究發(fā)現(xiàn)某些宏觀量如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化的隧道效應(yīng)——宏觀量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。當(dāng)前第89頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)納米陶瓷的晶粒尺寸極小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此具有高強(qiáng)度和高韌性。應(yīng)用納米金屬顆粒光的反射率很低，一般低于1%；粒徑越小，顏色越深，即粒子的吸光能力越強(qiáng)。用納米微晶陶瓷可做成永不生銹、鋒利無比的陶瓷刀具，輕松地剪裁鐵皮、切削鋼鐵。納米粉末可在電鏡、核磁共振波譜儀和太陽(yáng)能利用中作光吸收材料，也可用于制作紅外熱線型檢測(cè)器的涂料及隱形飛機(jī)上的雷達(dá)波吸收材料等。當(dāng)前第90頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)采用納米粉末作催化劑，具有粒徑小、密度小、比表面積大、反應(yīng)活性高、選擇性強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)；納米磁性微粒具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高，用它作為磁記錄材料可提高信噪比、改善圖象質(zhì)量。納米磁性粒子即使不磁化也是永久性磁體。對(duì)各種類型的化學(xué)反應(yīng)，尤其對(duì)催化氧化、還原和裂解反應(yīng)都具有很高的活性和選擇性；對(duì)光解水制氫和一些有機(jī)合成反應(yīng)也有明顯的光催化活性，人們把它稱為第四代催化劑。當(dāng)前第91頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)利用納米磁性材料的巨磁電阻效應(yīng)，可使現(xiàn)在我們所使用的磁盤容量增加20倍。納米粒子粒徑小于臨界半徑(一般為5～10nm)時(shí)具有超順磁性。納米材料介紹1納米材料介紹2當(dāng)前第92頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)§14-4超導(dǎo)體一、超導(dǎo)電現(xiàn)象1908年，荷蘭物理學(xué)家昂里斯（H.Kammmerlingh-Onnes）實(shí)現(xiàn)了氦的液化；1911年，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時(shí)，水銀的電阻突然消失，第一次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電現(xiàn)象。1913年，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)前第93頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)超導(dǎo)電現(xiàn)象

某些材料在溫度低于某一溫度時(shí)，電阻突然降到零的現(xiàn)象。具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)體，電阻降為零的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度（Tc）。當(dāng)前第94頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)當(dāng)前第95頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)對(duì)于氧化物超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬。把電阻下降到90%及10%所對(duì)應(yīng)的溫度范圍稱為轉(zhuǎn)變寬度T。起始轉(zhuǎn)變溫度Ts，中點(diǎn)溫度Tm，完全轉(zhuǎn)變溫度Te

當(dāng)前第96頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)二、超導(dǎo)體的主要特性1.零電阻

超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有電流，該電流將無衰減地持續(xù)下去。2.臨界磁場(chǎng)與臨界電流

材料的超導(dǎo)態(tài)可以被外加磁場(chǎng)破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為臨界磁場(chǎng)（Tc）。臨界磁場(chǎng)的存在，限制了超導(dǎo)體中能夠通過的電流。當(dāng)通過超導(dǎo)體的電流超過某一電流值時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，此電流稱為臨界電流（Ic）。當(dāng)前第97頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)臨界磁場(chǎng)與溫度有關(guān)：臨界電流與溫度有關(guān)：第一類超導(dǎo)體：具有一個(gè)臨界磁場(chǎng)。當(dāng)前第98頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)第二類超導(dǎo)體：具有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)。可以看到存在有兩個(gè)確定的臨界場(chǎng),即下臨界場(chǎng)Hc1和上臨界場(chǎng)Hc2。當(dāng)外磁場(chǎng)低于Hc1時(shí),超導(dǎo)體處于邁斯納態(tài),即磁場(chǎng)被排出超導(dǎo)體外。但從Hc1開始，磁場(chǎng)部分地穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部，而且隨著磁場(chǎng)的增高,穿透程度也增加(-M減少);一直到達(dá)到Hc2時(shí)磁場(chǎng)才完全穿透超導(dǎo)體(M=0),這時(shí),超導(dǎo)體過渡到正常態(tài)。在Hc1<H<Hc2內(nèi)的狀態(tài)，叫做混合態(tài)。

當(dāng)前第99頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)3.邁斯納效應(yīng)——完全抗磁性

邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零。不論是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，就把全部磁通量排出體外。

當(dāng)前第100頁(yè)\共有108頁(yè)\編于星期六\8點(diǎn)磁懸浮利用超導(dǎo)體的抗磁性可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮。圖是超導(dǎo)磁懸浮的示意圖。把一塊磁鐵放在超導(dǎo)盤上，由于超導(dǎo)盤把磁感應(yīng)線排斥出去，超導(dǎo)盤跟磁鐵之間有排斥力，結(jié)果磁鐵懸浮在超導(dǎo)盤的上方。這種超導(dǎo)懸浮在工程技術(shù)中是可以大大利用的，超導(dǎo)懸浮列車就是一例。讓列車懸浮起來，與軌道脫離接觸，這樣列車在運(yùn)行時(shí)的阻力降低很多，沿軌道“飛行”的速度可達(dá)500公里/小時(shí)。高